EP1537961A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Stellungsgenauigkeit von Effektoren an Mechanismen und zur Vermessung von Objekten in einem Arbeitsraum - Google Patents
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- EP1537961A2 EP1537961A2 EP05075178A EP05075178A EP1537961A2 EP 1537961 A2 EP1537961 A2 EP 1537961A2 EP 05075178 A EP05075178 A EP 05075178A EP 05075178 A EP05075178 A EP 05075178A EP 1537961 A2 EP1537961 A2 EP 1537961A2
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- effector
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- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
- B25J9/1679—Programme controls characterised by the tasks executed
- B25J9/1692—Calibration of manipulator
Definitions
- the invention relates to a method and a device for improving the Positional accuracy of effectors on mechanisms and their application when measuring the position of objects in a workspace with a in at least one axis movable, tainted with tolerances Mechanism that has an effector, at least one Effector object that is in position with position and tolerance estimated Orientation eccentric to the axes of the mechanism rigid with the Effector is connected to at least one reference object that is relative to Mechanism is arranged stationary in the working space, as well as a Computer system with measuring and control programs, each with an effector and Reference object pairs working in a manner known per se Signal triggers and signal detectors form suitable tripping and Detecting at least binary signals to effect and for each Pair the totality of the signal positions of the detector relative to the trigger, in which a signal is triggered at the detector, by at least one nontrivial characteristic equation is describable.
- a calibration method is known in which a laser beam is attached to the last segment of the robot and a measurement plane in the vicinity of the robot is used as a reference.
- the robot drives a series of unspecified hand positions in which the laser beam hits the measurement plane. Thereafter, the coordinates of the meeting points on the measurement level are identified photographically. From these, together with the associated joint configurations, the estimates for the position of the measurement plane and the position of the laser relative to the hand, the robot parameters are calculated by means of a variant of the Newtonian compensation method (Levenberg-Marquardt method).
- the measurement plane is a mirror or opaque projection screen and the incident laser beam is picked up by a camera in front of the mirror.
- the use of markers on the projection screen is not explained in detail and is apparently intended to serve to establish a relationship between the camera and the projection screen.
- the measurement plane can also be designed as an optical matrix sensor.
- two series of measurements are taken, between which either the laser is mounted at a different location, whose position the orientation is not mentioned with respect to a tool support, eg point of the hand, is known or the position of the mirror is changed. The changed positions are not specified further. It is explained: If the series of measurements is chosen unwise, several of the parameters to be identified can be considered mathematically for several of the parameters to be identified. To avoid this inconvenience, two different mirror positions are proposed.
- a laser beam is stationed in the vicinity of the robot in the room.
- a special detector is attached to the robot hand. This consists of a flat, square light sensor, divided into four separate quadrants is divided. The quadrants collide at a ⁇ center ⁇ . Each of the four quadrant sensors provides a brightness value.
- the robot moves the hand one after another in different measuring positions, which defined by the brightness value glimmed by the four sensors is identical. To find the appropriate positions, the four Brightness values of the four quadrants used, which are constantly evaluated and the correct movements. From the joint configurations of Measurement positions and the estimates for the position of the laser and the Detector relative to the hand, the robot parameters by means of Newtonian compensation method calculated.
- the authors describe one principle experimental setup and then refer to results of a two-dimensional Simulation of their principle using a two-hinged, two-dimensional Robot. Not all kinematic parameters can be used
- the method can be determined, in particular, the position of the robot relative to a given coordinate system can not be determined but only dimensionless parameters, thus it is impossible, one derive absolute size scale of the robot.
- WO96 / 30171 and WO 93/11915 describe methods and apparatus for calibrating axes of motion of industrial robots.
- a calibration device which consists of a calibration beam eg laser in the working space of the robot and an associated interruption detector.
- a ball of known radius is mounted on the robot hand.
- the robot moves to a series of unspecified positions in which the calibration beam is interrupted by the ball.
- the calibration parameters are calculated by means of the Newton-Gauss method from the associated joint configurations, the estimates for the robot position and the position of the laser relative to the hand.
- the calibration beam must be perpendicular to the xy plane defined by the robot base. With certain exceptions, six calibration parameters are calculated for each axis.
- the accuracy of the calibration parameters can be increased by calculating them several times, with the calibration beam being moved to different positions in the working space. For the different positions then, for example, the calibration parameters are calculated as the mean value of the calibration parameters for the different beam positions.
- the robot can be equipped with several calibration beams whose position is chosen to maximize the differences between robot configurations during the various measurements.
- a calibration body which consists of a cuboid with exactly parallel side surfaces in the working space of the robot.
- a ball of known radius is mounted on the robot hand.
- the robot moves to a series of unspecified hand position pairs, in which the ball touches the box twice on any side of the box and the other on the opposite side.
- the representation as well as the manner of the later calculation indicate that the second contact point must lie exactly at the perpendicular to the first point opposite square point.
- the calculation of the robot parameters takes place in iteration steps. In each step, based on the current approximation values for all the parameters searched by the inventor, the respectively relevant coordinate differences of the associated hand position pairs are first determined.
- the calibration body must be aligned with the coordinate axes of the robot base.
- the orientation of the calibration body can be arbitrary. Supposedly, three additional equations are required to identify the three additional orientation parameters. Both systems do not provide exact values, as obviously the mathematical and kinematic relationships were not recognized.
- the invention is based on the problem, improved method and devices for determining all the position or the Positional accuracy influencing parameters of the generic Mechanism in true size, or the most accurate, direct To propose control of objectives that are without use conventional measuring instruments, obstructive auxiliary objects in the work space or manual teach-in process, at a very favorable cost / benefit ratio.
- Procedure may also be used for complete or partial recalibration of Mechanisms or sub-mechanisms.
- This device comes in training of the invention in the application the method for the position measurement of mechanisms and objects, absolute or relative to each other, in the workroom for use.
- a signal position is a position of the effector object relative to the reference object, in which a signal is triggered at the detector.
- a signal configuration is a joint configuration of a signal position.
- the space (more precisely, the algebraic variety) of all signal-triggering positions of the effector object fixedly mounted on a specific, predetermined mechanism is the signal space.
- all external obstacles, mutual physical penetrations of the involved objects or gradual limitations of the detectors or signal-triggering devices eg of a photodetector having only a limited aperture
- the mechanism abstracts or includes the limitations of the detectors and triggers. In the latter case, the signal space depends on the dimensions of the calibration objects.
- Fig. 24 explains the signal space.
- Measurement configurations are those signal configurations that are actually used by the Mechanism in the course of a self-contained calibration or Interpolation be taken and trigger a signal at the detector.
- Measuring positions are the positions of the measuring configurations and a measuring series is the totality of all the measuring positions that are completed in the course of a completed Calibration or interpolation actually approached by the mechanism become.
- the term measurement is often used here in the specific sense of a completed cycle, the two procedural steps of the first Solution, namely movement of the effector object in one Proximity, finding the signal position, triggering the signal and Storage of the associated joint configuration in the computer system.
- the inventively given Mechanimus consists of rigid members, which are connected by joints. Joints are common motor-driven or passive rotary and push joints or Combinations of it.
- the inventive method is primarily at typical industrial robots with 6 joints or so-called tripods and Hexapods used.
- the mechanism is equipped with an effector, which may be an ordinary robot hand or any tool can and with its reach the working space of the mechanism certainly.
- the mechanism control usually uses ideal (set) parameters according to the manufacturer.
- the due to the ideal parameter values calculated effector positions from the desired, actual positions.
- the determination of the actual parameters of a Mechanism for increasing the positional accuracy is called calibration designated.
- position accuracy is used more frequently; in This description of the invention is for the term positional accuracy selected because a position is defined by position and orientation.
- each equation describes the position of the trigger and the other the detector relative to the trigger. Now the limitations of the concrete mechanism are included.
- the parameters describing the position of the effector object are expressed by joint variables or joint variables of the joint configuration and the not exactly known, constant mechanism parameters, which model the geometric structure of the mechanism and non-kinematic phenomena such as joint elastics.
- the mechanics parameters also include the position description of the effector object relative to the base of the effector. As a result of the replacement one obtains the final characteristic equations.
- the reference object is stationary mounted in the working space, its position need not be expressed by other sizes.
- a complete set of characteristic equations contains all the calibration parameters to be determined.
- each position of the effector is a potential measuring position; z.
- the object is achieved in that attached to the calibrated mechanism effector objects are brought into different signal positions.
- the signal positions are not known exactly. However, based on the tolerant manufacturer information of the mechanism parameters or estimates or tolerant measurements of all calibration parameters, one can calculate by means of the characteristic equations effector positions that will be close to the signal positions. They are referred to as approximate positions.
- the series of measurements - ie the signal positions - must meet certain criteria. According to the invention, it is sufficient to formulate the qualitatively new criteria only for the calculable approximate positions.
- the signal positions found on the basis of their proximity to the former and the selected limits will have sufficient quality to calculate the parameters. If no signal position can be found, the respective approximate position is simply discarded in a later step.
- the first criterion forces a sufficient extension of the approximations in the working space
- the second, less important forces a sufficient distribution or prevents unfavorable accumulations.
- D G (N) > D G (A l ) / 15 states roughly that the extension of the series of approximations (as well as the tightly closed signal positions) along or in the direction of the straight line G is approximately 1/15 of the expansion of the working space in the same direction must be.
- the parameter and position accuracy can be asymptotically increased to a practically achievable maximum if N and possibly the Kalibrations Subscribeab distren be chosen so that instead of the specified worst limits as possible the best limits of the criteria are approximated, ie D G (N) -> D G (A l ) and (subordinate) D G ((N i , n j ⁇ ) -> 0 for adjacent approximate positions n i , n j .
- an ordinary industrial robot with 160 cm working space diameter eg Puma 560 Fa. Stäubli, CH with extended arm length of 80 cm and approximately spherical working space
- a breaker bar is used, which is 10 cm long. If the robot or effector is in a signal position and then a straight line G is placed in the working space, which is identical to the interrupter bar with a constant, constant orientation, then all effector positions on G are within an interval of 10 cm signal positions. Consequently, G meets the requirements in point 1 and it applies D G (N).
- D G (S I ) 10 cm.
- D G ( A I ) 160 cm then applies D G (N).
- D G ( S I ) ⁇ D G (A I ) * 10/160 and thus criterion D G (N) > D G (A I ) / 15 is violated.
- Another example is the implementations recognizable from the prior art, in which the reference object is a light barrier and the effector object is a sphere. Due to the dimensions in associated figures, they also violate the criterion D G (N) > D G (A I ) / 15 and are therefore unsuitable for practical use.
- the lack of knowledge or unwitting disregard of the criteria of the invention both in the dimensioning of the calibration objects and the choice of the measurement series are a major reason for the limited practical successes of similar approaches in the past.
- the mathematical identification requires that the measuring position by the Measurement configuration is uniquely determined.
- the affected ones Mechanism classes from the manufacturer with the required standard Devices supplied.
- the real parameters of the real mechanism found by the Manufacturer specifications differ in the determined scaling factor received in order to improve the position accuracy or precise control in the control program of the robot.
- the value d measured by conventional measuring methods which is generally determined once during the manufacture of the calibration system and prior to its practical use, is generally associated with an error ⁇ .
- the value ⁇ is usually independent of the size of the length standard. Instead of the correct value of l i , one obtains (d + ⁇ ) * l i / d 'and the error results in ⁇ * (l ' / i / d '). If the factor (l '/ i / d') is less than 1, obviously an error attenuation is achieved. It is not only the measurement errors in the conventional measurement of the length standard in the determination of the length parameters but quite analog especially errors that inevitably occur during the form-balancing calibration or when scanning the length standard.
- the parameter identification does not necessarily have to be in an unscaled part and a separate determination of the scaling factor.
- step i) more than one measurement will be performed on each side of the length standard. So you get two series A and B of positions that z. B can differ in their orientation.
- Length standard used, e.g. two sides of a cuboid or the diameter a ball, but not the exact measured distance between several similar calibration objects.
- An important lesson of the procedure is the Averaging the comparison measurements as well as the choice of the dimension for the purpose Return loss.
- the methods according to the second variant are insofar superior than no separate comparison measurements to determine the Length standards are required, but its determination in the Calibration process is integrated. This procedure is implicitly every Single measurement involved in the determination of the scaling factor, whereby A maximum averaging effect is created which increases the precision of the Scaling factor increases; In addition, the number of required Measurements with consistent quality reduced.
- the method for determining the scaling factor by adjustment to a length standard is illustrated in Figure 1 :
- the length standard 6-1 is here a parallel over a work surface permanently mounted rod with two parallel end faces, which are perpendicular to the working plane.
- the mechanism first drives the front end surface with the effector object 6-2 oriented perpendicular to the work surface, that is, touch is detected by a binary sensor. Thereafter, this contact is repeated at the rear end surface.
- the distance d ' is calculated from the two measurement configurations using the determined parameters of the mechanism, and the scaling factor is determined by comparison with the known d . It is advantageous to approach several measuring positions at each end of the length standard.
- the length standard required for determining the scaling factor by adjustment can be generated according to a variant, which is shown in FIG .
- the series of measurements is first recorded using one reference object and then with the other; Alternatively, the two series of measurements can also be taken arbitrarily nested.
- the scaling factor then results in the manner mentioned from a common parameter identification. Important and very advantageous is that no separate series of measurements must be taken to determine the length standard.
- Figure 3 shows that the length standard can also be made by identifying two effector objects held by an effector 10-3 at a fixed, known distance from one another, eg two identical interrupters as the left rod 10-2 and right rod 10-1, the distance thereof d is known.
- the detection of the reference object 10-4 with each of the two effector objects provides this distance, wherein the two series of measurements can be added again interleaved arbitrarily. Due to the duality principle, this method follows the scaling factor determination from the previous section and vice versa.
- the scaling factor can be adjusted to a shape-matching Calibration and unscaled identification without additional measurements determine.
- the determination of the scaling factor is based on the observation, that under slight deformations in common industrial use - Wear up to light collisions - certain dimensions or Length ratios of heavily deformable bodies remain invariant.
- a scaling factor must be included in the Calibration enter or must the length parameters after completion of the unscaled parameter identification multiplied by such.
- the Scaling factor represents a relationship between that in the unscaled identification specific, unscaled model of the mechanism, represented in the computer by the unscaled calibration parameters, and the Reality here.
- the connection between model and reality can be established by placing two points on the calibration objects whose exact position is also in the Model is known to be measured accurately in reality and the result is transferred to the model.
- the only points whose exact location in both Model as well as the reality are known, the signal positions.
- the exact measurement should as possible during production of the Calibration system take place after the two calibration objects or their generators on a common carrier invariable and as parallel as possible.
- the scaling factor should periodically be determined on site at the buyer / user.
- the signal positions can Therefore, they do not immediately provide the necessary context because they differ from Differentiate robot to robot.
- the inventive method is characterized by consideration of Practical secondary conditions, low measurement effort and above all maximum error attenuation off.
- the scaling factor is equal to 1000/990. With this value all identified length parameters of the mechanism are to be multiplied.
- the scaling factor only in the first calibration must be determined exactly and if the scaling factor on the occasion of Recalibration from the comparison of known, selectable lengths of the Mechanism is determined in the usual industrial use can remain unchanging.
- the mechanism is permanently or temporarily equipped with a - here preferably immaterial - an effector object, eg a light plane 21-3 according to FIG.
- This process can be up to the decoupling and separate measurement of a be driven single joint.
- a single, driven, free movable, joint of the mechanism moves until a change of state of the binary signal to detect the measurement position is detected. The movement continues until the signal returns to the initial state.
- the both joint values at which the signal changes - simplifying expressed: "switching values” or “switching angle” or “switching length”, etc, depending on Joint type - are registered. Now the joint is moved in the opposite direction and the switching values are registered again. From the mean between The switching values can be changed depending on the underlying Draw conclusions which, in appropriate cases, Allow elimination of threshold and signal delay errors.
- FIG. 7 part a shows the situation.
- the last joint of the mechanism is assumed to be rotational (z axis of rotation).
- the effector object with boom 12-1 and breaker bar 12-2 is rotated by z; in the top view b) drawn on the right, different rotational angles assumed successively are designated by the numbers 1, 2, 2 'and 3.
- the entry takes place from the left, the exit to the right.
- the interruption of the reference object eg
- Laser beam 12-3 is detected (position 2, entry), this joint angle (switching angle) is recorded. After further movement is detected in position 2 '(exit) that no interruption takes place. Normally position 2 (entry) and 2 'do not coincide. If inlet and outlet are symmetrical with respect to the central axis s of the beam, their mean value gives the desired measuring angle. In order to compensate for hysteresis errors during entry and exit, the measurement can take place in a second pass with the reverse direction of rotation, as shown in subfigure c) (entry from the right, exit to the left).
- the sought value - section of the center axes of laser and interrupter bar - is then the average of the two mean values of the first and second pass, ie the average of four values.
- the LS does not have to learn the inverse kinematics of the mechanism or those deviations that have already been identified by means of shape-matching calibration, but only position deviations owing to the errors remaining after the shape-matching calibration, ie measurement and model errors. In other words, the LS only learns the model error and no additional errors, so it can focus entirely on the resulting positional deviations. Conversely, if the learning system is used to identify coarse, modelable errors, you will get a low level of precision even with many training data. Only through the previous (form-balancing) calibration is the task of the learning system reduced to its actual ability and the actual problem: the detection of small, difficult-to-model residual deviations that remain after the form-fitting calibration.
- FIG. 9 shows the structure of an error-compensating joint control for the mechanism: a position set value 27-1, e.g. in Cartesian coordinates is given to a kinematic module 27-2, which is based on approximately on the kinematic parameters resulting from the calibration - the associated joint configuration 27-3 of the mechanism calculated. This one will not used directly for setting the mechanism, but it is still modified by the learning system, i. every value becomes a correction value 27-4 adds or subtracts to result 27-5 for setting the Joints to come. This correction value is calculated by the adaptive system directly from the position setpoint and the result of the kinematics module to come to the new joint configuration 27-6.
- New implementations of the method according to the invention can be found derive known implementations by interchange of effector object and Reference object as exemplified below.
- the new realizations Despite their structural relationship, they are completely different Have advantages and disadvantages as the origin realization, e.g. concerning. Collision avoidance, effector object weight, accuracy, etc.
- the characteristic equations of one caused by exchange Realization results from variable interchange from the Original embodiment.
- the calibration environment can be established automatically.
- the mechanism automatically seizes the effector object and possibly also the reference object by suitable movements and brings it to a suitable position. This happens because the calibration objects are stored in a shape adapted to their shape within the working range of the mechanism.
- the calibration objects are mechanically fixedly connected to an adaptation 22-2, which makes it possible to grip them with the effector.
- the adjustment must be in a spatial position that allows it to be gripped by the effector, a gripper 22-1 in the desired orientation. It facilitates gripping the effector object 22-3 and / or the reference object if the effector object is only in a very specific position in the receptacle 22-4, because then the access by the effector for this position can be firmly programmed.
- FIG. 19 Two ways in which the reference object can become an integral part of the mechanism are indicated in FIG. 19 , on the left for an immaterial reference object, eg laser beam 23-1, on the right for a material reference object, eg planar metal plate 23-3. Care must be taken that the reference object has a sufficient spatial extent for the respective calibration procedure and that it is connected in a position to the mechanism which allows the undisturbed continuation of the calibration procedure with all specific measurement configurations. If there are constructive reasons against firmly connecting the reference object to the foot 23-2 of the mechanism, it may also be attached to another location of the mechanism. However, if it is placed behind one or more joints from the point of view of the base, the calibration for this joint can no longer be performed.
- an immaterial reference object eg laser beam 23-1
- a material reference object eg planar metal plate 23-3
- the effector object may also be fixed, e.g. at the effector or before that, i. on - seen from the base - last joint of the chain, mounted be, for. B. remains as shown in FIG. 6. It remains during the entire period of use the mechanism there and will be during the calibration process used expediently. In addition to the saving of setup time this has the Advantage that the kinematic transformation of the last joint to Effector object is known and immutable and when measuring not as unknown parameter must be identified.
- Effector object for example, a camera
- a transparent diffuser disk is arranged, so only the diffuser disc can be temporarily stored. This makes the camera usable for conventional sensory purposes.
- Pointed binary sensors can be avoided if instead planar sensors or fields are used by sensors.
- the expected signal at any measurement of the measurement series of any Sensors of the field are recorded and more obvious Modification of the mathematical identification method are processed.
- the resulting advantages are in detail: Increased accuracy because of the elimination of threshold and signal delay errors, elimination of "Discretization errors”, elimination of "hysteresis” or “controller tolerance”, Elimination of the need for multiple measurements for error attenuation, multiple acceleration of the measurement due to the elimination of Schwellwertund Signal delay elimination, precision enhancement and simplification the scalar factor determination.
- the M i are calibrated with a sufficient number of stationary reference objects R 1 , R 2 ,... R j ,... And their position relative to one another calculated from the positions of M i to R j after calibration.
- the position of the reference objects to each other must be known, which can be done either by determining the distances with a well-calibrated known mechanism or by other surveying. In the first case, a whole "chain" of mechanisms can be calibrated in this way; in the second, the reference objects can be used to determine the scaling factor.
- Figure 20 is relative to the work cell 26-1, are located in the workpieces to be processed, a location determination useful if the robot is replaced because of some defect, because of wear or because of type change in the cell against another copy. It is therefore necessary to determine the position of the mechanism 26-2 relative to a given coordinate system S 0 in the cell 26-1.
- the position of an object is clearly defined, for example, by the relative position to at least two straight lines or to at least three points. If the position of S 0 is uniquely determined with respect to the reference objects R 1 , R 2 , ... R m , then the position of the mechanism with respect to S 0 can be determined by the methods of the invention by adjusting the position of R 1 , R 2 , ...
- R m is measured precisely with respect to S 0
- M is calibrated by means of R 1 , R 2 , ... R m and the position of M with respect to S 0 from the determined positions from M to R 1 , R 2 , ... R m is calculated by means of elementary methods of robotics or kinematics.
- the mechanism can be decided with a much smaller number of measuring positions where S 0 is than would be necessary if its position and the calibration parameters are to be determined. The same could be achieved if the effector of the mechanism after its calibration is placed in a certain position relative to a reference coordinate system anchored in its base, so to speak "pointing" this exact position and then making a manual measurement of the effector position relative to the cell. However, this would mean a further measurement and result in additional measurement errors.
- the position of a mechanism with respect to several Reference objects are determined in the workspace.
- Will be any object equipped with reference objects whose distance is known we obtain a specialization of the general invention Calibration method, which allows the measurement of positions of any Objects allowed.
- Parameter identification method next to the actually interesting Mechanisms parameters always the position of the reference objects with respect to the reference coordinate system of the mechanism.
- the latter information is obtained from previous calibration methods according to the Calibration, however, not used further. In practical applications will be Calibration and position measurement generally not at the same time needed.
- the process according to the invention therefore generally becomes given time only for one of the two tasks used -
- the priority is not the simultaneous use of both services but the isolated or changing use for each one of the tasks.
- Essential property of the claimed or described Positioning method is that any, with precise Joint encoders equipped mechanism for the purpose of surveying Object positions can be used and in addition to the devices for form-balancing calibration no further devices or Hardware changes are needed and the precision of the hardware Object measurement significantly increased compared to the usual calibration can be.
- the increase is achieved according to the invention by the number the joints of the measuring mechanism is kept small and the number of Reference objects is enlarged accordingly.
- This measure become the essential ones in the ordinary calibration Residual error reduced, according to the quoted work by K. Schröer Model errors exist. These inevitably decrease with decreasing Complexity of the mechanism and the complexity depends as well exclusively from the number of axles.
- a device that is only suitable for position measurement consists of a measuring mechanism, which with at least one Effector object is equipped for conformal calibration, as well associated reference objects.
- the measuring mechanism has only a single Have joint whose control value determined by means of joint encoders precisely can be. In particular, any mechanism can be more precise Measuring mechanism can be used by all joints except one be held.
- the position of objects can be precise and direct only in relation to a determined coordinate system in the measuring mechanism are determined.
- the engaged measuring mechanism 8-2 in FIG. 21 can measure its position within the working space according to the invention with increased precision.
- the effector object 8-3 in this case is a light plane and the reference objects 8-4 on the walls of the cell are point photodetectors whose spacing must be known.
- the measuring mechanism will move the effector object about its single axis and the signals at the reference objects will be registered in a conventional manner and passed on to the associated computer system. If the light plane has been mounted so that the hinge axis lies in this plane, a movement of the mechanism along this axis will always have to trigger the same signals. In other words, a displacement of the mechanism parallel to the hinge axis can under no circumstances be detected by the method of items 1 to 5. Consequently, the light plane for the purpose of complete measurement must be skewed to the hinge axis and this cutting to be mounted.
- the surveying method illustrated by way of example is particularly then inexpensive, if the required hardware and software already for the purpose the mechanism calibration is present.
- the method of the previous example has determined the position of a mechanism relative to stationary reference objects.
- the position of a movable object relative to the effector of the robot is to be determined.
- the workpiece to be identified 7-4 (cuboid on the conveyor belt 7-5), for example, equipped with a system of reference objects 7-3, which serves the position measurement and after the machining of the workpiece easily, in particular by the mechanism can be removed. If the three balls (reference objects) attached to the workpiece reflect the radiation 7-2 emitted by the source 7-1 and if a radiation detector 7-6 is additionally attached to the effector, the position of the base object or of the workpiece relative to the three can be determined Determine effector.
- the reference objects are as close as possible those workspace areas where increased accuracy it is asked for.
- additional reference objects can be used primarily for Purpose of interpolation in areas of interest.
- the method referred to as the first solution determines several individual Correction movements to various known positions of the Working space to be chosen as close as possible to the target position.
- Various well-known corrective movements will then be by themselves known, elementary mathematical interpolation a correction movement for the currently desired objective calculated.
- the interpolation is illustrated by means of a laser beam 33-1 which is perpendicular to the image plane and which serves as a reference object. Positions and orientations are represented by a schematic robot hand. If there is only one reference object 33-1 in the vicinity of the respective target position 33-2, an as identical as possible signal position 33-3, similar orientation and minimum distance, is searched for at this reference object.
- the joint configuration 33-3 in which the signal was actually triggered will be different from that obtained when the controller controls the joint configuration associated with the signal position from the mechanical parameters stored in the controller and the position of the reference object assumed to be exactly known calculated. The latter joint configuration leads the effector to a misalignment 33-4 slightly deviating from the signal position.
- the interpolation was so far only by means of material reference objects and isolated - without integrated calibration - carried out (For example, the company Optis, and the FMS system from the companies Amatec and Stäubli). By previous calibration, the interpolation results are natural greatly improved.
- a calibration will be carried out at greater intervals perform the first first solution of the invention and a demand-dependent one Make interpolation more frequent according to the second solution.
- the complete Integration of calibration and interpolation into a coherent process, such as presented here for the first time, causes considerable additional precision gains and Cost advantages.
- a special calibration object which is used for example on a tripod in FIG. 25 with a light barrier and as an effector object an orthogonal bipod or tripod 5-2 on the effector 5-1, can even after exactly two or more separate calibrations, exactly the position of the effector be detected, ie the effector can be included in the calibration.
- a tool offset, as otherwise required, is eliminated.
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Abstract
Description
In der primären Realisierung ist die Meßebene ein Spiegel bzw. undurchsichtiger Projektionsschirm und der auftreffende Laserstrahl wird von einer vor dem Spiegel stehenden Kamera aufgenommen. Die Verwendung von Merkzeichen auf dem Projektionsschirm wird nicht näher erläutert und soll offenbar der Herstellung eines Bezugs zwischen Kamera und Projektionsschirm dienen.
Die Meßebene kann auch als optischer Matrix-Sensor ausgelegt sein.
Gemäß weiterer Realisierungen werden zwei Meßserien aufgenommen, zwischen denen entweder der Laser an einer anderen Stelle montiert wird, deren Position die Orientierung wird nicht erwähnt mit bezug auf eine Werkzeug-Unterstützung, z.B. Punkt der Hand, bekannt ist oder die Position des Spiegels verändert wird.
Die veränderten Stellungen werden nicht näher spezifiziert. Erläutert wird dazu: Wenn die Meßserie unklug gewählt wird, können für einige der zu identifizierenden Parameter rechnerisch mehrere Werte in Frage kommen. Um diese Unannehmlichkeit zu vermeiden werden zwei verschiedene Spiegelstellungen vorgeschlagen. Problematisch ist dabei, daß man mit einem Laserstrahl kann man die Lage des Lasers bzw. des Werkezugs relativ zur Handwurzel nicht vollständig bestimmen und zusätzlich 2 gekreuzte Laserstrahlen werden benutzt um den 5. und 6. Parameter der Werkzeuglage zu identifizieren. Im übrigen ist das System ungenau wegen der Verzerrung der Abbildung der Meßebene mit der Kamera.
Es muß stets die Sensorebene senkrecht zu dem Laserstrahl stehen, daher ist keine Orientierungsänderungen möglich, was im Arbeitsraum eines Robots aber zwangsläufig passiert.
In der Nähe des Roboters werden drei Platten, die exakt senkrecht aufeinander stehen, angebracht. Der Roboter nimmt einen omnidirektionalen mechanischen Taster auf und fährt eine Reihe von nicht näher spezifizierten Handstellungen an, in denen der Taster die Platte berührt bzw. der interne Kontakt des Tasters anspricht. Die jeweiligen zugehörigen Gelenkkonfigurationen werden von einem neuronalen Netz ausgewertet, welches als Ergebnis die Roboterparameter liefert.
In der WO 96/30 171 wird ein Kalibrationsgerät verwendet, welches aus einem Kalibrationsstrahl z.B. Laser im Arbeitsraum des Roboters und einem zugehörigen Unterbrechungsdetektor besteht. Eine Kugel mit bekanntem Radius wird an die Roboterhand montiert. Der Roboter fährt eine Reihe von nicht näher spezifizierten Handstellungen an, in denen der Kalibrationsstrahl von der Kugel unterbrochen wird. Aus den zugehörigen Gelenkkonfigurationen, den Schätzwerten für die Roboterstellung und der Stellung des Lasers relativ zur Hand werden die Kalibrationsparameter mittels des Newton-Gauss Verfahrens berechnet. In der bevorzugten Realisierung muß der Kalibrationsstrahl senkrecht auf der durch die Roboterbasis definierten x-y-Ebene stehen-. Es werden mit gewissen Ausnahmen sechs Kalibrationsparameter für jede Achse berechnet.
Die Genauigkeit der Kalibrationsparameter kann erhöht werden, indem diese mehrfach berechnet werden, wobei der Kalibrationsstrahl in unterschiedliche Positionen im Arbeitsraum verbracht wird. Für die verschiedenen Stellungen werden dann z.B. die Kalibrationsparameter als Mittelwert der Kalibrationsparameter für die verschiedenen Strahlstellungen berechnet. Um die größten Variationen zwischen den verwendeten Roboterkonfigurationen zu erhalten, kann der Roboter mit mehreren Kalibrationsstrahlen ausgestattet werden, deren Stellung so gewählt wird, daß die größt-möglichen Unterschiede zwischen den Roboterkonfigurationen während der verschiedenen Messungen erreicht wird .
Die Berechnung der Roboterparameter erfolgt in Iterationsschritten. In jedem Schritt werden auf Basis der aktuellen Näherungswerte für alle vom Erfinder gesuchten Parameter zunächst die jeweils relevanten Koordinatendifferenzen der zusammengehörigen Handstellungspaare ermittelt. Falls die Quadratsumme dieser Differenzen von einem Sollwert abweicht, der sich aus den bekannten Quaderabmessungen ergibt, wird ein Gauss-Newton Schritt durchgeführt.
In einer Realisierung muß der Kalibrationskörper an den Koordinatenachsen der Roboterbasis ausgerichtet werden. In einer weiteren Realisierung kann die Orientierung des Kalibrationskörpers beliebig sein. Angeblich sind dazu drei zusätzliche Gleichungen erforderlich, um die drei zusätzlichen Orientierungsparameter zu identifizieren.
Beide Systeme liefern keine exakten Werte, da offensichtlich die mathematischen und kinematischen Zusammenhänge nicht erkannt wurden.
der Abstand auf einer Geraden G zwischen zwei benachbarten Punkten der Projektion der Näherungsserie N auf G höchstens DG(N)I 4 beträgt,
wobei bedeuten
DG eine Funktion, die einer beliebigen Untermenge von AI die Distanz zwischen den beiden am weitesten voneinander entfernten Punkten der Projektion der Untermenge auf G zuordnet,
- AI :
- der sich aufgrund elementarer kinematischer Berechnungen aus dem bekannten toleranzbehafteten Mechanismenmodell ergebende Raum aller erreichbaren Effektorstellungen dieses Mechanismus und
- G :
- eine beliebige Gerade, die mindestens zwei Punkte von SI enthält,
- SI :
- Untermenge von AI , die als Raum der Näherungsstellungen bezeichnete Gesamtheit aller Effektorobjektstellungen, in denen auf Basis der Parameterwerte
- des bekannten toleranzbehafteten Mechanismenmodells,
- der geschätzten Stellung des Referenzobjekts im Raum sowie
- der geschätzten Stellung des Effektorobjekts am Mechanismus rechnerisch ein Signal erwartet würde,
- das Effektorobjekt zunächst in zwei mindestens einelementige Mengen A und von Signalstellungen gebracht, wobei Informationen über den Abstand zwischen den Stellungen von A zu denen von B bekannt sind, oder
- mindestens drei als Referenz- und Effektorobjekte ausgebildete Kalibrationsobjekte werden verwendet, indem mindestens ein Effektorobjekt in Signalstellungen zu zwei Referenzobjekten mit bekannter relativer Stellung zueinander gebracht bzw.
- mindestens zwei Effektorobjekte mit bekannter relativer Stellung zueinander in Signalstellungen zu mindestens einem Referenzobjekt gebracht werden,
- mindestens ein Paar von Einrichtungen, ausgebildet als oder geeignet zur
Generierung von Effektor- oder Referenzobjekten in Form eines
geometrisch regelmäßigen Körpers als Kalibrationsobjekte, wobei
mindestens eine Effektorobjekt-Einrichtung exzentrisch zu den Achsen des Mechanismus starr mit dem Effektor verbunden ist , und
mindestens eine Referenzobjekt-Einrichtung, relativ zum Mechanismus stationär im oder am Arbeitsraum angeordnet ist, und jedes Paar von Einrichtungen über Elemente zur Auslösung und Detektion von binären Signalen verfügt, - eine Einrichtung zur Ermittlung eines Skalierungsfaktors und
- ein Computersystem mit einem Meßablauf-, einem Parameteridentifizierungs- und einem Mechanismussteuerungs-Programm.
einem in mindestens einer Achse bewegbaren, mit Toleranzen behafteten Mechanismus, der über einen Effektor verfügt,
- mindestens einem Effektorobjekt, das in geschätzter Stellung mit Toleranz in Position und Orientierung exzentrisch zu den Achsen des Mechanismus starr mit dem Effektor verbunden ist ,
- mindestens einem immateriellen Referenzobjekt, das stationär im Arbeitsraum angeordnet ist und dessen Stellung exakt bekannt ist,
- sowie einem Computersystem mit einem Meßablauf- und einem Mechanismus-Steuerungsprogramm,
- a. die Näherungsserie N so gewählt wird, daß sie an mindestens einem der Zielstellung benachbarten Referenzobjekt mindestens eine Näherungsstellung enthält
- b. für alle Näherungsstellungen werden nacheinander durch Bewegung des Effektorobjekts bzw. Mechanismus mit einem einfachen Suchalgorithmus je eine nahegelegene Signalstellung gesucht,
- c. nach Detektion wird die momentane Gelenkkonfiguration des Mechanismus an das Computersystem weitergeleitet und als Datensatz gespeichert,
- d. das Computersystem rechnet zu jedem Datensatz diejenige Fehlstellung im Arbeitsraum aus, die sich auf Basis der der Steuerung aktuell bekannten Mechanismenparameter ergibt
- e. aus der Differenz zwischen den Signalstellungen und den zugehörigen Fehlstellungen durch für sich bekannte elementare Interpolationsverfahren sowie durch für sich bekannte elementare Fehlerausgleichsalgorithmen eine Korrekturbewegung berechnet wird, die die Abweichung der durch die Mechanismen-Steuerung tatsächlich angesteuerten Stellung von der Sollstellung kompensiert.
Die Lösung bestimmt effizient und präzise die die Stellungsgenauigkeit beeinflussenden Parameter des gattungsgemäßen Mechanismus mit sehr günstigem Kosten- / Nutzenverhältnis.
Erfindungsgemäß werden nur die ohnehin im Mechanismus vorhandenen Sensoren (Gelenkencoder) verwendet sowie einfachste zusätzliche Meßvorrichtungen, welche entsprechend dem grundlegenden Funktionsprinzip stets einfachste binäre Sensoren bzw. Detektoren sein können.
Außerdem kann effizient die Aufgabe gelöst werden, daß eine Nachkalibration nur bestimmte Parameter bestimmen muß (etwa solche, von denen bekannt ist, daß sie sich beim Betrieb des Mechanismus verschleißbedingt schneller ändern als andere). Damit kann erheblicher Aufwand gespart werden.
In der industriellen Praxis ganz besonders wichtig ist die vom Verfahren gebotene Möglichkeit, die Stellung eines Mechanismus in bezug auf die räumliche Lage einer Arbeitszelle exakt zu bestimmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich weiterhin dazu, durch ein lernfähiges System unterstützt zu werden, daß seinerseits die Restfehler des Kalibrationsprozesses erkennt und durch Training am realen Mechanismus bei dessen Ansteuerung kompensiert. Das lernende System kann dabei voll in das Gesamtverfahren integriert werden, was die Effizienz des lernenden Systems gegenüber bisherigen isolierten Lösungsansätzen signifikant steigert.
Ein ähnliches Verfahren wie die Kalibration, welches hier als Interpolation bezeichnet wird, wird zur alternativen oder zusätzlichen lokalen Verbesserung der Stellungsgenauigkeit benutzt, wobei keine zusätzlichen Vorrrichtungen erforderlich sind.
Neben der Kalibration eines Mechanismus löst das erfindungsgemäße Verfahren in einer spezialisierten Variante die Aufgabe, mit begrenztem, einmaligen Vorbereitungsaufwand und äußerst geringem apparativen Aufwand präzise die Stellung
- des Effektors eines (nicht notwendig kalibrierten) Mechanismus relativ zu den Referenzobjekten bzw. einem Bezugskoordinatensystem oder
- von Werkstücken relativ zum Effektor von (nicht notwendig kalibrierten) Mechanismen oder
- zwischen beliebigen Objekten und/oder Mechanismen
Die Überlegenheit dieses formabgleichenden Verfahrens gegenüber bisherigen Kalibrationsverfahrenzeigt sich in der praktischen Anwendung mindestens durch folgende Vorteile:
- Einfachste Installation der Meßeinrichtung;
- Keine Kalibration der Meßeinrichtung erforderlich;
- Geringste Kosten und Servicefreundlichkeit durch äußerst einfachen Meßaufbau;
- Berührungslose Messung möglich, damit keine Abnutzung des Meßaufbaus;
- Durchführung von Kalibrationen mit minimalem Vorbereitungsaufwand, dadurch häufige (z.B. tägliche) Wiederholung möglich;
- Gewährleistung der Absolutgenauigkeit von Mechanismen über ihre gesamte Lebensdauer;
- Integrierbarkeit der Meßeinrichtung in den Mechanismus, damit völliger Fortfall einer zusätzlichen Installation im Arbeitsbereich des Mechanismus;
- Teilkalibrationen möglich, dadurch erhebliche Zeiteinsparung;
- einem in mindestens einer Achse bewegbaren, mit Toleranzen behafteten Mechanismus, der über einen Effektor verfügt,
- mindestens einem Effektorobjekt, das in geschätzter Stellung mit Toleranz in Position und Orientierung exzentrisch zu den Achsen des Mechanismus starr mit dem Effektor verbunden ist ,
- mindestens einem Referenzobjekt, das relativ zum Mechanismus in geschätzter Stellung mit Toleranz in Position und Orientierung stationär im Arbeitsraum angeordnet ist,
- sowie einem Computersystem mit einem Meßablauf-,
der Abstand auf einer Geraden G zwischen zwei benachbarten Punkten der Projektion der Näherungsserie N auf G höchstens DG(N) /4 beträgt,
wobei bedeuten DG eine Funktion, die einer beliebigen Untermenge von Al die Distanz zwischen den beiden am weitesten voneinander entfernten Punkten der Projektion der Untermenge auf G zuordnet,
- Al :
- der sich aufgrund elementarer kinematischer Berechnungen aus dem bekannten toleranzbehafteten Mechanismenmodell ergebende Raum aller erreichbaren Effektorstellungen dieses Mechanismus und
- G :
- eine beliebige Gerade, die mindestens zwei Punkte von Sl enthält,
- Sl :
- Untermenge von Al, die als Raum der Näherungsstellungen bezeichnete Gesamtheit aller Effektorobjektstellungen, in denen auf Basis der Parameterwerte
- des bekannten toleranzbehafteten Mechanismenmodells,
- der geschätzten Stellung des Referenzobjekts im Raum sowie
- der geschätzten Stellung des Effektorobjekts am Mechanismus rechnerisch ein Signal erwartet würde,
- mindestens einen in mindestens einer Achse bewegbaren Mechanismus, der über einen Effektor nach Art einer Roboterhand oder eines Werkzeuges verfügt,
- mindestens ein Paar von Einrichtungen, ausgebildet als oder geeignet zur
Generierung von Effektor- oder Referenzobjekten in Form eines
geometrisch regelmäßigen Körpers als Kalibrationsobjekte, wobei
mindestens eine Effektorobjekt-Einrichtung exzentrisch zu den Achsen des Mechanismus starr mit dem Effektor verbunden ist, und
mindestens eine Referenzobjekt-Einrichtung, relativ zum Mechanismus stationär im oder am Arbeitsraum angeordnet ist, und jedes Paar von Einrichtungen über Elemente zur Auslösung und Detektion von binären Signalen verfügt, - eine Einrichtung zur Ermittlung eines Skalierungsfaktors und
- ein Computersystem mit einem Meßablauf-, einem Parameteridentifizierungs- und einem Mechanismussteuerungs-Programm,
CCD-Matrix-Kamera, Kamera mit in den Strahlengang plazierbarem Diffusor, Laser- oder Maser-Strahlungsquelle mit Photodetektor, Lichtsensor, Positionsempfindlicher Detektor (PSD: Position sensing device), Lichtschrankeneinrichtung, elektrisch leitfähiger Kontaktstab oder langgestreckter Draht, Lichtebenen oder Lichtkeile erzeugende dauerhaft oder periodisch aktivierbare Strahlungsquelle mit Spiegeln oder Linsen, zweidimensionales Sensorfeld aus punktförmigen Lichtdetektoren, Festkörper mit geometrisch regelmäßiger Gestalt oder nach Art eines Zwei- oder Dreibeines ausgebildet, mit exakt zylindrischen Stäben,
jeweils einzeln oder in Kombination von Einrichtungsteilen.
- einen in einigen Längenabmessungen bekannten großen Behälter mit zugänglicher Oberfläche einer darin enthaltenen leitfähigen oder nicht leitfähigen Flüssigkeit oder
- eine in einigen Längenabmessungen bekannte große Platte mit abtastbaren Kanten.
- Fig. 1:
- Bestimmung des Skalierungsfaktors mit einem Längennormal bekannter Länge
- Fig. 2:
- Beispiel für die Bestimmung des Skalierungsfaktors mit zwei Referenzobjekten bekannten Abstandes
- Fig. 3:
- Beispiel für die Skalarfaktorbestimmung mittels Doppel-Effektorobjekt
- Fig. 4:
- Verformung eines Balkens bei Einwirkung einer seitwärts gerichteten Kraft
- Fig. 5:
- Stellungsgenauigkeit bei nicht parallelem Kalibrationsobjekt
- Fig. 6:
- Beispiel für die Anordnung des Effektorobjektes und eines immateriellen Referenzobjektes für die nebenläufige Kalibrierung
- Fig. 7:
- Mögliche Bewegungstrajektorien des Unterbrecherstabs
- Fig. 8:
- Zur Defintion des Residuums und zur Abweichung von Soll- und Iststellung gegenüber dem Referenzobjektes
- Fig. 9:
- Struktur einer Gelenkwertsteuerung mit einem neuronalen Netz zur Kompensation von Kalibrationsfehlern
- Fig. 10:
- Laser und Photodetektor als Referenzobjekt
- Fig. 11:
- Ausführungsbeispiel mit Laser und Matrix-Kamera, wahlweise vertauschbar als Effektor- oder Referenzobjekt
- Fig. 12:
- Ausführungsbeispiel mit Platte als Referenzobjekt und elektrisch leitendem Stab als Effektorobjekt
- Fig. 13:
- Ausführungsbeispiel mit einer Flüssigkeitsoberfläche im Bottich als Referenzobjekt
- Fig. 14:
- Ausführungsbeispiel mit Teleskopsystem
- Fig. 15:
- Ausführungsbeispiel mit den Kalibrationsobjekten Lichtebene und Sammellinse
- Fig. 16:
- Prinzip des Verfahrens mit den Kalibrationsobjekten Lichtebene /Strahlungsebene und zwei punktförmigen Sensoren / Photodetektoren
- Fig. 17:
- Ausführungsbeispiel mit Anordnung von Lichtkeil und Photosensoren als Kalibrationsobjekte
- Fig. 18:
- Ausführungsbeispiel für die Aufnahme des Effektorobjektes mit automatischem Ergreifen durch den Effektor des Mechanismus
- Fig. 19:
- Referenzobjekt als Teil des Mechanismus, immateriell links und materiell rechts
- Fig. 20:
- Mechanismus als Teil einer Arbeitszelle und seine Stellung bezüglich des mit der Arbeitszelle verbundenen Koordinatensystems
- Fig. 21:
- Bestimmung der Stellung eines autonomen Mechanismus / Fahrzeugs mit einem einfachen Mechanismus und vielen im Raum verteilten Detektoren
- Fig. 22:
- Vermessung der Stellung eines Werkstücks
- Fig. 23:
- Interpolation einer Stellung
- Fig. 24:
- Signalraum mit Rotationsachsen, und rotatorischen und translatorischen Bewegungsrichtungen in einer Signalstellung
- Fig. 25:
- Dreibein als Effektorobjekt zur Bestimmung der Position des Effektors
Die folgenden neuen Begriffsdefinitionen unterstützen die Formulierung des Erfindungsgegenstands:
Fig. 24 erläutert den Signalraum. Er wird von den eingezeichneten unabhängigen Translationen entlang der Achse des Effektorobjekt 2-2 (die wie der entsprechende Richtungsvektor mit u bezeichnet wurde) und der Achse s des Referenzobjekts 2-1 (in der Figur mit 4 und 3 bezeichnet) aufgespannt sowie von Rotationen um diese beiden Achsen (2 und 1 im Bild) und schließlich von Rotationen um die gemeinsame Senkrechte uxs (in der Figur mit 5 bezeichnet). Sind alle Meßstellungen hinsichtlich einer dieser Dimensionen annähernd konstant, beispielsweise hinsichtlich von Rotationen um uxs, d.h. wird für alle Meßstellungen der Serie der Winkel zwischen beiden Kalibrationsobjekt-Achsen annähernd gleich einem konstanten Wert u·s=const gehalten, so wird die Parameteridentifikation im allgemeinen versagen.
z.B. Laserdiodenmodul LDA1015 der Fa. ILEE, US mit
Zylinderlinse ILEE 1:4 oder 1:1,
Zeilenkamera 703/M der Firma Vistek, DE
andere Realisierungsmöglcihkeit: periodische Bewegung des Laserstrahls oder rotierender Polygonspiegel
z.B. Laserdiodenmodul ILE-LDA1015 der Fa. ILEE, US,
Matrixkamera Ultra-Miniatur Kamera-Modul (s/w), Nr.: 11 51 93 der Fa.
Conrad, DE
Positionsempfindlicher Si-Detektor PSD 2L30 der Fa. Sitek, SE
z.B. Lichtschranke YD50 der Fa. Wenglor, DE
Kontaktspitze oder Kontaktkugel
Welches der Kalibrationsobjekte Auslöser und welches Detektor ist, ist im allgemeinen frei gestellt. In einigen Fällen ist eine der beiden Varianten jedoch technisch unrealisierbar; z.B. kann eine mit Flüssigkeit gefüllte Wanne kaum Effektorobjekt sein. Jedes Effektorektorobjekt wird mittels eines Auslegers am Effektor montiert. Der Ausleger sorgt für eine Exzentrizität in bezug auf die Gelenkachsen des Mechanismus, da die Parameteridentifikation einzelner Mechanismenparameter andernfalls versagen kann.
Die exakte Montage-Stellung des Effektorobjektes relativ zum Effektor im Bezugs-Koordinatensystem muß nicht exakt bekannt sein, sondern braucht nur geschätzt zu werden.
Die Referenzobjekte werden stationär so im Arbeitsraum angeordnet oder montiert, daß sie vom Effektorobjekt erreichbar sind. Ihre Stellung relativ zur Basis des Mechanismus muß ebenfalls nicht präzise bekannt sein.
Als Kalibrationsparameter werden alle Parameter bezeichnet, die während der Kalibration identifiziert werden. Neben den Mechanismenparametern gehören hierzu auch diejenigen Parameter, die nach Abschluß der Kalibration nicht mehr interessieren bzw. die Stellungsgenauigkeit nicht beeinflussen. Dies sind im allgemeinen nur die Stellungsparameter der Referenzobjekte. Ihre Stellung muß zwangsläufig zusammen mit den Mechanismenparametern identifiziert werden. Werden gewisse Parameter während einer Kalibration als bekannt vorausgesetzt und nicht identifiziert, so werden sie fallweise nicht zu den Kalibrationsparametern gezählt.
Gemäß dem grundlegenden Funktionsprinzip können die Detektoren stets aus einfachsten binären Sensoren bestehen. Zwecks Erleichterung der erläuterten Suche nach Signalstellungen bzw. des Suchalgorithmus können jedoch z. B. lichtempfindliche Zeilen oder Flächen, d. h. Felder von binären Sensoren wie Zeilenkameras oder Matrixkameras bzw. CCD-Kameras als Detektoren eingesetzt werden.
- Das Meßablaufprogramm steuert die Erhebung von Meßdaten durch den Roboter.
- Das Parameteridentifikationsprogramm berechnet aus den Meßdaten mittels mathematischer Verfahren der Ausgleichsrechnung die Kalibrationsparameter.
Es eignen sich genau diejenigen Typen von Auslöser-Detektor Paaren für das erfindungsgemäße Verfahren, für die (einfache) charakteristische Gleichungen existieren. Eine Glühlampe und ein Photodetektor eignen sich z.B. nicht, da der Photodetektor stets Licht erhält, sobald er nicht völlig von der Lichtquelle abgewendet ist.
Die erfindungsgegenständlichen formabgleichenden Kalibrationsverfahren unterschieden sich hinsichtlich der charakteristischen Gleichungen grundlegend von den herkömmlichen Kalibrationsverfahren, die mittels herkömmlichen, aufwendigen Meßverfahren arbeiten. Bei letzteren ist jede Stellung des Effektors eine potentielle Meßstellung; z. B. kann jede Effektorstellung durch ein Theodolitensystem vermessen werden. Streng mathematisch gesehen könnte man sagen, daß die zugehörigen charakteristischen Gleichungen daher bei diesen Verfahren trivial (z.B. 0 = 0) sind. Dieser entscheidende Unterschied zu herkömmlichen kann auch so ausgedrückt werden: bei den herkömmlichen gibt es so etwas nicht bzw die Gleichung ist trivial (z.B. 0=0).
Verschiedene Realisierungen eines formabgleichenden Kalibrationsverfahrens sind eng verwandt, wenn die Gesamtheit ihrer charakteristischen Gleichungen äquivalent ist.
Die Signalstellungen sind nicht exakt bekannt. Ausgehend von den toleranzbehafteten Herstellerangaben der Mechanismenparameter bzw. Schätzungen oder toleranzbehafteten Messungen aller Kalibrationsparameter kann man jedoch mittels der charakterisitschen Gleichungen Effektorstellungen berechnen, die dicht in der Nähe der Signalstellungen liegen werden. Sie werden als Näherungsstellungen bezeichnet.
Damit die Kalibration erfolgreich ist muß die Meßserie - also die Signalstellungen - gewissen Kriterien genügen. Erfindungsgemäß ist es ausreichend, die qualitativ neuen Kriterien nur für die berechenbaren Näherungsstellungen zu formulieren. Die ausgehend davon gefunden Signalstellungen werden aufgrund ihrer Nähe zu ersteren und den gewählten Grenzen eine ausreichende Qualität aufweisen um die Parameter zu berechnen. Kann keine Signalstellung gefunden werden, so wird die jeweilige Näherungsstellung in einem späteren Schritt einfach verworfen.
Das erste Kriterium erzwingt eine hinreichende Ausdehnung der Näherungsstellungen im Arbeitsraum, das zweite, weniger wichtige erzwingt eine hinreichende Verteilung bzw. verhindert ungünstige Häufungen. Zwecks Erläuterung dieser Kriterien werden ab jetzt Stellungen wie in der Robotik üblich auch als Punkte des 6-dimensionalen Arbeitsraums begriffen. Beide Kriterien basieren auf der Wahl einer beliebigen Geraden G im Arbeitsraum, die als einzige Anforderung zwei Stellungen aus Sl enthalten muß, was später erläutert wird. Das Kriterium DG(N) > DG(Al) / 15 besagt grob formuliert, daß die Ausdehnung der Näherungsserie (sowie der dicht gelgenen Signalstellungen) entlang bzw. in Richtung der Geraden G ungefähr 1/15 der Ausdehnung des Arbeitsraums in der gleichen Richtung betragen muß. Diese Aussage muß für alle Geraden gelten, insbesondere auch für die Achsen des Bezugskoordinatensystems, sofern sie mehr als eine Stellungen aus Sl enthalten. Mißt die Ausdehnung des Arbeitsraums entlang der z-Achse (bzw. die Projektioon auf die z-Achse) z.B. 1500 mm, so sollen also mindestens zwei Näherungsstellungen in N existieren, deren z-Koordinaten mindestens 100 mm Differenz aufweisen.
Das zweite Kriterium, laut dem der Abstand auf einer Geraden G zwischen zwei benachbarten Punkten der Projektion der Näherungsserie N auf G höchstens DG(N) / 4 betragen soll, wird im folgenden als Verteilungskriterium bezeichnet. Es erzwingt im Beispiel, daß es zu einer beliebigen Näherungsstellung eine weitere in N geben muß, deren z-Koordinate sich höchstens um 100/4 = 25 mm von der z-Koordinate der ersteren unterscheidet.
Die Gerade G muß zwei Stellungen aus SI enthalten, weil sie sonst senkrecht auf SI stehen könnte. In letzterem Fall muß aber DG(N) = 0 gelten. Dies gilt ganz analog wie die Projektioneiner Ebenen auf eine senkrecht darauf stehende Gerade einen einzigen Projektionspunkt ergibt, die Distanz zwischen den am weitesten voneinander entfernten Projektionspunkten also 0 ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren fordert nur die Erfüllung der beiden Kriterien, macht aber keine Aussagen, wie die Näherungsserie gewählt wird. Dies kann entweder durch ein beliebiges System oder aber durch zufällige Wahl der Näherungsstellungen erfolgen.
In konkreten anwendungen ist es keineswegs nötig, die Erfüllung der beiden Kriterien minutiös zu überprüfen, also mathematisch echte Messungen anzustellen und dann die erforderlichen Berechnungen durchzuführen, d.h. eine natürliche Metrik und Skalarprodukt auf dem Arbeitsraum festzulegen und die Projektionen der Näherungsserie zu ermitteln. Die wesentliche Aussage ist vielmehr, daß dies die entscheidenden Kriterien sind, die optimiert werden müssen um qualitativ hochwertige Ergebnisse in der Praxis zu erhalten. Die Parameter- und Stellungsgenauigkeit läßt sich asymptotisch gegen ein praktisch erreichbares Maximum steigern wenn N und ggf. die Kalibrationsobjektabmessungen so gewählt werden, daß anstatt der angegebenen schlechtesten Grenzwerte möglichst die besten Grenzwerte der Kriterien angenähert werden, d. h.
- Die Dimension der konvexen Hülle von N muß gleich der Dimension des Signalraums sein und ihr Volumen soll - hinsichtlich jeder Signalraumdimension - möglichst groß gewählt werden
- Die Näherungs- bzw. Meßserie soll relativ gleichmäßig in der konvexen Hülle verteilt sein.
Die angegebenen schlechtesten Grenzwerte der Kriterien□ deren Quantifizierung wie erwähnt praktisch unwichtig ist - wurden für den Fall einer einzigen Näherungsserie an einem einzigen Ausleger-Detektor Paar und für die Bestimmung aller wesentlichen Kalibrationsparameter angegeben. Werden weniger Parameter bestimmt schwächen sich die Kriterien proportional zur Anzahl ab. Im Fall mehrer Näherungsserien N1, N2, N3, ... kann im Kriterium DG(N) > DG(AI) / 15 die Näherungsserie N grob durch die Vereinigung aller Ni ersetzt werden. Das Verteilungskriterium muß für jedes Ni erfüllt sein.
Optimierungen gemäß der Kriterien wirken sich asymptotisch aus, d. h. einfache Strategien, die sich an diesen Kriterien orientieren werden schon gute praktische Ergebnisse erzielen; aufwendige und komplizierte Verbesserungen der Strategien werden die Genauigkeit aber kaum meßbar weiter steigern.
Ohne Kenntnis der erfindungsgemäßen Kriterien wird deren Erfüllung im allgemeinen selbst bei überlegter Wahl der Näherungsserie scheitern, da der Signalraum bei den meisten naheliegenden Verfahrensrealisierungen fünfdimensional ist und folglich nicht mehr leicht überschaut werden kann. Daher wird eine Wahl der Meßserie nach anderweitigen Kriterien bzw. Algorithmen häufig die Dimensionsanforderung verletzen. In der Umgebung der angegebenen quantitativen Untergrenzen verschlechtert sich die Genauigkeit der Parameter bzw. die Stellungsgenauigkeit drastisch bzw. kollabiert die Parameteridentifikation.
Mit Kenntnis der Kriterien ist die Wahl einer geeigneten Näherungsserie stets leicht wie die obige Konstruktionsanweisung zeigt. Es gibt jedoch eine wesentliche Ausnahme: Bei einigen Realisierungen des erfindungsgemäßen Verfahrens haben die Kalibrationsobjektabmessungen Einfluß auf die Signalraumgröße. Werden diese Abmessungen in Unkenntnis der Kriterien c) und d) unzureichend gewählt, so muß daß Verfahren scheitern falls
Das Verfahren garantiert in diesem Fall keineswegs einen Erfolg.
Ein weiteres Beispiel sind die aus dem Stand der Technik erkennbaren Realisierungen, bei denen das Referenzobjekt eine Lichtschranke ist und das Effektorobjekt eine Kugel. Aufgrund der Abmessungen in zugehörigen Abbildungen verletzen sie das Kriterium DG(N) > DG(AI) / 15 ebenfalls und sind daher für den praktischen Einsatz ungeeignet.
Die mangelnde Kenntnis bzw. unwissentliche Nichtbeachtung der erfindungsgemäßen Kriterien sowohl bei der Dimensionierung der Kalibrierungsobjekte als auch der Wahl der Meßserie sind ein wesentlicher Grund für die beschränkten praktischen Erfolge ähnlicher Ansätze in der Vergangenheit.
Dem Fachmann fällt es stets leicht, diejenigen Kalibrationsobjektabmessungen zu identifizieren, die Einfluß auf die Größe des Signalraums haben und festzulegen, wie diese geändert werden müssen um den Signalraum zu vergrößern und die Kriterien zu erfüllen. Im obigen Beispiel könnte man z. B. eine Länge von 20 bis 25 cm wählen bzw. in den erwähnten Verfahren den Radius der abgebildeten Kugeln vergrößern.
- Ist der Suchraum 1-dimensional, so wird ein einziges (im allgemeinen das letzte) Robotergelenk durch ein in Frage kommendes, endliches Intervall bewegt bis das Signal ausgelöst wird.
- In einer 2-dimensionalen Mannigfaltigkeit einen (O-dimensionalen) Punkt zu suchen verbietet sich im vorliegenden Anwendungszusammenhang aus Effizienzgründen. Ist der Suchraum 2- oder mehr-dimensional so wird dieser Fall daher durch konstruktive Maßnahmen auf den 1-dimensionalen Fall reduziert. Deswegen wird je nach Realisierungsvariante der binäre Sensor durch ein Sensorfeld geeigneter Dimension und Ausdehnung ersetzt, so daß eine 1-dimensionale Suchbewegung des letzten Gelenks hinreichend ist.
Ist eine Signalstellung gefunden, so wird die zugehörige Meßkonfiguration, d.h. die aktuell vom Mechanismus eingenommene Gelenkkonfiguration im Computersystem gespeichert.
Mit dem Begriff Parameteridentifikation wird der Algorithmus (bzw. das Computerprogramm) bezeichnet, welcher aus den Rohdaten, nämlich:
- der Gesamtheit der jeweils bei Signalauslösung abgespeicherten Gelenkkonfigurationen,
- den Schätzwerten für die Stellung des Referenzobjekts im Raum und
- den Schätzwerten für die Stellung des Effektorobjekts relativ zur Hand sowie den charakteristischen Gleichungen alle Kalibrationsparameter bestimmt.
Kurz gesagt ergibt sich nach Analyse der möglichen Werte aller Kalibrationsparameter sowie der abgespeicherten Meßkonfigurationen mittels Ausgleichsrechnung schließlich nur noch ein einziger möglicher konkreter Mechanismus sowie eine einzige in Frage kommende Referenzobjekt-Stellung, durch die die Signale in den registrierten Gelenkkonfigurationen ausgelöst worden sein können. Es ist dies der tatsächlich zur Messung verwendete. Nur für diesen Mechanismus stimmen die EffektorobjektStellungen, die sich rein rechnerisch aus den Kalibrationsparameterwerten und den abgespeicherten Meßkonfigurationen ergeben mit den Bedingungen überein, die sich aus der Form der Kalibrationsobjekte ergeben. Sei als Beispiel eine Lichtebene mit einem Photosensor abgetastet worden, so werden die sich rein rechnerisch ergebenden Meßstellungen nur bei Einsetzung der wahren Kalibrationsparameter auf einer Ebene liegen und für alle anderen Werte werden sich Meßstellungen ergeben, die auf unregelmäßig gekrümmten Flächen liegen und eben nicht mit der Form des Kalibrationsobjektes, nämlich einer Ebene, übereinstimmen. Der namengebende Abgleich mit den exakten Formen der Kalibrationsobjekte wird also während der Parameteridentifikation durchgeführt. In der Literatur (aber nicht hier) wird der Begriff der Parameteridentifikation gelgentlich als Synonym für den Begriff der Kalibration benutzt.
Zur Bestimmung der n Kalibrationsparameter des Mechanismus müssen mindestens k = n Messungen ausgeführt werden. Es ist jedoch zweckmäßig, zur Gewinnung fehlerdämpfender Redundanz mehr als diese auszuführen. In praktischen Anwendungen sollte k mindestens dreimal so groß wie n, vorzugsweise 10 mal so groß sein.
- Die exakten Abmessungen des Mechanismus einschließlich des Skalierungsfaktors wurden zu einem früheren Zeitpunkt mit anderen Verfahren ,üblicherweise direkt nach der Herstellung vom Hersteller mit einem herkömmlichen Präzisionsmeßverfahren oder einer der vorstehenden Methoden, ermittelt und die Abmessungen sind bekannt;
- Seit der letzten exakten Kalibration unterlag die Mehrzahl der Glieder des Mechanismus nur kleineren Verformungen.
- Nach Fertigung des Kalibrationssystems wird die Entfernung zwischen zwei beliebigen, leicht wieder auffindbaren Punkten auf den Strahlen , z.B. die Punkte 44-1 und 44-2 an denen die Laserstrahlen aus dem Laser-Träger austreten - exakt mit konventionellen Präzisionsmeßsystemen vermessen.
- Zwecks periodischer Kalibration beim Käufer / Anwender vor Ort wird zunächst die unskalierte Identifikation durchgeführt, wodurch die Richtungs(einheits)vektoren der Strahlen exakt im mathematischen Modell bekannt sind. Danach werden zwei Signalstellungen 44-3 und 44-4 auf den Strahlen gewählt.
- Der Bediener muß die Abstände zwischen 44-1 und 44-3 sowie 44-2 und 44-4 mit einem einfachen Meßinstrument z.B. einem Zollstock, toleranzbehaftet vermessen und die beiden Meßwerte in das Computersystem eingegeben. Dieses multipliziert die Richtungs(einheits)vektoren mit den vom Bediener ermittelten Abständen und addiert die resultierenden Vektoren zu den Signalstellungspunkten. So erhält man genau die Position der Punkte 44-1 und 44-2 im mathematischen Modell und kann daraus den Abstand im Modell berechnen.
- Hieraus ergibt sich durch Berechnung des Punktabstandes ein Wert d' und der Skalierungsfaktor ergibt sich mit dem bekannten, wahren Abstand d zu s = d/d'.
- Verbesserung der Identifikationsergebnisse bei gleichzeitiger Reduktion des Meßaufwandes. Identifiziert man nacheinander z.B. zwei mal 24, nicht notwendig disjunkte, Parameter, so erfordert dies signifikant weniger Messungen und liefert weit bessere Ergebnisse, als wenn 40 Parameter simultan identifiziert werden müssen.
- Fehlerursachen können den Gruppen separat zugeordnet werden. Die Fehlerquellen lassen sich auf diese Weise besser eingrenzen.
- Korrekte Zielstellung (28-8)
- Erreichte Stellung ohne Kalibration (28-6)
- Erreichte Stellung nach Kalibration (28-7)
- Erreichte Stellung nach Kalibration und Fehlerkompensation durch ein lernfähiges System (nahe bei 28-8)
- Ohne Kalibration und nur mit Fehlerkompensation durch ein lernfähiges System (nahe bei 28-7)
Eine solche differentielle Fehlerkompensation kann direkt zur Steuerung des Mechanismus eingesetzt werden, indem jede Komponente des vom neuronalen Netz gelieferten Korrekturvektors für die Gelenkwinkel auf die entsprechende Komponente des von der Steuerung auf Basis der identifizierten Parameter berechneten Gelenkwertvektors addiert wird.
Wurde die Lichtebene so montiert, daß die Gelenkachse in dieser Ebene liegt, so wird eine Verschiebung des Mechanismus entlang dieser Achse stets die gleichen Signale auslösen müssen. Anders gesagt kann eine Verschiebung des Mechanismus parallel zur Gelenkachse unter keinen Umständen mit dem Verfahren der Punkte 1 bis 5 erkannt werden. Folglich muß die Lichtebene zwecks vollständiger Vermessung windschief zur Gelenkachse und diese schneidend montiert werden.
Claims (3)
- Verfahren zur Verbesserung der Stellungsgenauigkeit von Mechanismen in einem Arbeitsraum miteinem in mindestens einer Achse bewegbaren, mit Toleranzen behafteten Mechanismus, der über einen Effektor verfügt,mindestens einem Effektorobjekt, das in geschätzter Stellung mit Toleranz in Position und Orientierung exzentrisch zu den Achsen des Mechanismus starr mit dem Effektor verbunden ist,mindestens einem immateriellen Referenzobjekt, das stationär im Arbeitsraum angeordnet ist und dessen Stellung exakt bekannt ist,sowie einem Computersystem mit einem Meßablauf- und einem Mechanismus-Steuerungsprogramm,a. die Näherungsserie N so gewählt wird, daß sie an mindestens einem der Zielstellung benachbarten Referenzobjekt mindestens eine Näherungsstellung enthält,b. für alle Näherungsstellungen werden nacheinander durch Bewegung des Effektorobjekts bzw. Mechanismus mit einem einfachen Suchalgorithmus je eine nahegelegene Signalstellung gesucht,c. nach Detektion wird die momentane Gelenkkonfiguration des Mechanismus an das Computersystem weitergeleitet und als Datensatz gespeichert,d. das Computersystem rechnet zu jedem Datensatz diejenige Fehlstellung im Arbeitsraum aus, die sich auf Basis der der Steuerung aktuell bekannten Mechanismenparameter ergibt,e. aus der Differenz zwischen den Signalstellungen und den zugehörigen Fehlstellungen durch für sich bekannte elementare Interpolationsverfahren sowie durch für sich bekannte elementare Fehlerausgleichsalgorithmen eine Korrekturbewegung berechnet wird, die die Abweichung der durch die Mechanismen-Steuerung tatsächlich angesteuerten Stellung von der Sollstellung kompensiert.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das Verfahren nach Anspruch 1 durchgeführt wird.
- Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 umfassendeinen in mindestens einer Achse bewegbaren, mit Toleranzen behafteten Mechanismus, der über einen Effektor verfügt,mindestens ein Effektorobjekt, das in geschätzter Stellung mit Toleranz in Position und Orientierung exzentrisch zu den Achsen des Mechanismus starr mit dem Effektor verbunden ist,mindestens ein immaterielles Referenzobjekt, das stationär im Arbeitsraum angeordnet ist und dessen Stellung exakt bekannt ist,sowie ein Computersystem mit einem Meßablauf-, Interpolations- und einem Mechanismus-Steuerungsprogramm,
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- 2001-05-14 US US09/855,101 patent/US6529852B2/en not_active Expired - Lifetime
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